邢華棟，慕 騰，陶 軍，王宇強，景志濱，齊 軍，張紅光

（1.內(nèi)蒙古電力（集團）有限責任公司內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)電力系統(tǒng)智能化電網(wǎng)仿真企業(yè)重點實驗室，呼和浩特 010020；3.內(nèi)蒙古電力調(diào)度控制中心，呼和浩特 010010）

0 引言

仿真計算是黑啟動試驗前準備工作的重要環(huán)節(jié)，貫穿于整個準備工作的始末?；诜抡嬗嬎憬Y(jié)果，方案編制人員可以對試驗的安全性和可行性進行評估，發(fā)現(xiàn)試驗潛在的問題，并對試驗方案進行合理化修改；結(jié)合廠站調(diào)研情況，修改仿真條件，指導(dǎo)方案調(diào)整，如此反復(fù)迭代，最終形成一套切實可行的黑啟動試驗方案。

仿真的準確性對黑啟動試驗的成敗至關(guān)重要，若仿真結(jié)果不能反映實際情況，則會誤導(dǎo)試驗方案的制訂，增加試驗失敗的風(fēng)險。因此，有必要對仿真結(jié)果進行驗證，對仿真模型的準確性進行評估，進而找出仿真的不足，以便為日后相關(guān)工作積累經(jīng)驗[1-5]。2004 年北方某省級電網(wǎng)首次實施電網(wǎng)黑啟動現(xiàn)場試驗[6]，此后隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化對電網(wǎng)黑啟動方案進行了重新規(guī)劃設(shè)計，為了驗證方案的可行性，2021 年，該區(qū)域電網(wǎng)實施了以水電機組為啟動電源的電網(wǎng)黑啟動試驗[7-8]。本文基于黑啟動試驗的實測數(shù)據(jù)對仿真模型的準確性進行了驗證，對仿真結(jié)果進行了分析，進而證明仿真工作對黑啟動試驗的重要性。

1 潮流仿真驗證

1.1 空充聯(lián)通線路

W 水電廠經(jīng)W 升壓站220 kV B 母、220 kV WSⅠ線、S 變電站220 kV 1 號母線、SN 線、N 變電站220 kV 2號和4號母線、220 kV NX Ⅰ線充電至X變電站220 kV 1 號母線，同時經(jīng)220 kV ZN Ⅰ線充電至Z 火電廠220 kV 1 號母線，仿真結(jié)果與實測結(jié)果比較如表1 所示。X 變電站電壓偏差2 kV，線路充電功率偏差2 Mvar，說明潮流仿真用的π型輸電線路模型參數(shù)不夠準確；線路充電功率比實際約低2 Mvar，說明仿真用的輸電線路對地電納參數(shù)偏??；X變電站電壓仿真結(jié)果比實際低2 kV 左右，說明仿真用的輸電線路電抗參數(shù)偏小。

表1 W水電廠空充至聯(lián)通線路潮流比較Tab.1 Comparison of power flow when W hydraulic-power plant charging the connecting lines

1.2 Z火電廠1號機組并網(wǎng)帶負荷

Z 火電廠并網(wǎng)后帶30 MW 有功負荷，系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，潮流仿真結(jié)果見圖1，仿真結(jié)果與實測結(jié)果比較如表2所示。

圖1 仿真潮流圖Fig.1 Simulation power flow diagram

表2 Z火電廠1號機組并網(wǎng)帶負荷潮流比較Tab.2 Comparison of grid connected and loaded power flow of unit 1 of Z thermal power plant

仿真計算中X 變電站主變壓器220 kV 側(cè)下送負荷為（25.0+j23.6）MVA，110 kV 側(cè)負荷為（25.0+j22）MVA，Z 火電廠啟備變壓器下送負荷按（10.0+j6.9）MVA 計算，全網(wǎng)負荷為（35+j30.5）MVA，現(xiàn)場試驗中X 變電站主變壓器220 kV 下送負荷約（26+j24）MVA，Z 火電廠啟備變壓器下送負荷約（8.6+j7.5）MVA，全網(wǎng)負荷合計約（34.6+j31.5）MVA，仿真用負荷和實際負荷比較接近，因此整個黑啟動試驗過程中W 水電廠發(fā)電機組、Z 火電廠發(fā)電機組以及各輸電線路的有功功率相對一致。

1.3 潮流仿真評價

整體來說，輸電線路模型參數(shù)引起的仿真誤差較小，在工程應(yīng)用中可以接受。試驗前X 變電站和Z 火電廠對各自負荷估算比較準確，為仿真條件設(shè)置提供了準確的數(shù)據(jù)，潮流仿真正確地給出了黑啟動試驗中各個重要環(huán)節(jié)執(zhí)行后的穩(wěn)態(tài)潮流結(jié)果，為黑啟動試驗提供了重要的數(shù)據(jù)參考。

2 動態(tài)仿真驗證

2.1 X變電站啟動負荷

根據(jù)仿真結(jié)果，X變電站啟動4 MW恒阻抗負荷時系統(tǒng)頻率偏差達-0.5 Hz。根據(jù)黑啟動試驗實測數(shù)據(jù)，X變電站分批次逐步投入負荷，系統(tǒng)頻率偏差始終在±0.5 Hz 以內(nèi)波動，與仿真結(jié)果一致。其中，最大一次啟動約3.8 MW負荷時，系統(tǒng)頻率最大偏差為-0.444 Hz，該過程中W水電廠升壓站實測數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 X變電站啟動負荷時W水電廠升壓站實測數(shù)據(jù)Fig.2 Measured data of booster station of W hydropower plant during starting load of X substation

2.2 Z火電廠啟動輔機

2.2.1 給水泵啟動

Z火電廠啟動給水泵過程的仿真結(jié)果與實測結(jié)果對比如表3所示。仿真和實際中給水泵啟動引起的6 kV 母線電壓跌落比較一致，但仿真啟動時間、最大啟動電流和最大頻率偏差都比實際大，主要原因為仿真中給水泵帶負荷啟動，而實際給水泵幾乎空載啟動，因此給水泵實際啟動時對黑啟動小系統(tǒng)的頻率沖擊遠低于仿真預(yù)期。

表3 Z火電廠啟動給水泵主要指標對比Tab.3 Comparison of main indexes of startup feedwater pump in Z thermal power plant

2.2.2 引風(fēng)機啟動

Z火電廠所有輔機中對系統(tǒng)沖擊最大的為引風(fēng)機，其引起的系統(tǒng)頻率偏差為-0.64 Hz，結(jié)合現(xiàn)場實際邊界條件和實測數(shù)據(jù)進行引風(fēng)機啟動仿真反演，對比驗證仿真模型的準確性。

由于Z火電廠引風(fēng)機啟動過程中6 kV段錄波儀沒有完整的實測數(shù)據(jù)，只能使用Z 火電廠升壓站錄波儀的實測數(shù)據(jù)，基于ZNⅠ線（Z 火電廠側(cè)）有功、無功功率和電壓實測數(shù)據(jù)計算出從啟備變壓器高壓側(cè)等效的Z 火電廠廠用負荷阻抗數(shù)據(jù)，等效電阻R和等效電感L計算公式分別見式（1）和式（2）。

式中：U—Z 火電廠220 kV 母線電壓，kV；

P—ZNⅠ線有功功率，MW。

式中：Q—ZN Ⅰ線無功功率，Mvar；

f—系統(tǒng)額定頻率，Hz。將等效阻抗數(shù)據(jù)導(dǎo)入PSCAD 模型中，用于模擬啟備變壓器及其負荷變化，如圖3 所示。圖3 中，Test_data.txt 文件存儲著Z 火電廠升壓站錄波數(shù)據(jù)，第1列數(shù)據(jù)為時間，第2至5列依次為220 kV 母線電壓、ZN Ⅰ線有功功率、ZN Ⅰ線無功功率和頻率，第6 列和第7 列為根據(jù)式（1）和式（2）計算出的等效電阻和等效電感。

圖3 Z火電廠啟備變壓器負荷等效模型Fig.3 Load equivalent model of standby transformer in Z thermal power plant

引風(fēng)機啟動過程仿真與實測曲線對比見圖4。從圖4（a）看出，仿真中220 kV母線電壓跌落略低于實測值，由于仿真用的輸電線路電抗參數(shù)比實際略小，導(dǎo)致線路壓降小于實際，進而導(dǎo)致230 kV 母線電壓跌落略小于實際情況，但仿真曲線變化趨勢與實際一致，說明仿真用的勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性與實際一致。從圖4（b）看出，系統(tǒng)頻率仿真曲線與實測曲線比較接近，仿真中系統(tǒng)頻率最低接近49.42 Hz，實際頻率下降至49.36 Hz，證明了仿真用的調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性與實際一致。

圖4 引風(fēng)機啟動過程仿真與實測曲線對比Fig.4 Comparison between simulation and measured curves of induced draft fan starting process

綜上分析，仿真驗證表明W水電廠水電機組建模是比較準確的。

2.3 Z火電廠機組并網(wǎng)

Z火電廠1號機組并網(wǎng)時，并網(wǎng)瞬間初負荷最高上升至12.19 MW，系統(tǒng)頻率最高上升至50.99 Hz，之后系統(tǒng)頻率振蕩衰減，約60 s 后頻率偏差恢復(fù)到±0.5 Hz 以內(nèi)。仿真時由于不確定機組并網(wǎng)后的初負荷情況，因此分別對初負荷為0 MW、10 MW以及20 MW 三種工況進行了仿真，其中初負荷為10 MW 的仿真結(jié)果與實際情況比較相符。Z 火電廠1號機組并網(wǎng)仿真與實測曲線對比如圖5所示。

圖5 Z火電廠1號機組并網(wǎng)過程仿真與實測曲線對比Fig.5 Comparison between simulation and measured curves of grid connection process of unit 1 in Z thermal power plant

從圖5看出，Z火電廠機組并網(wǎng)時1號機組有功功率的仿真與實測結(jié)果比較一致；并網(wǎng)后45 s 內(nèi)頻率仿真曲線與實測曲線高度吻合，仿真頻率最大值為50.96 Hz，實測頻率最大值為50.99 Hz，隨后頻率走勢和錄波呈較大偏差，仿真頻率最小值為49.73 Hz，錄波頻率最小值為49.38 Hz，仿真頻率在150 s前后穩(wěn)定在50 Hz 左右，而實測頻率則需要較長的時間才能恢復(fù)。Z火電廠機組并網(wǎng)最主要的指標為并網(wǎng)后頻率最大偏差，仿真給出了正確結(jié)果，體現(xiàn)出了仿真的意義。后續(xù)頻率波動走勢與實測偏差較大，一方面是因為仿真中只考慮了兩臺機組的慣量，沒有考慮負荷慣量，而兩臺機組的慣量由于沒有試驗數(shù)據(jù)，采用的設(shè)計值與實際有偏差；另一方面，仿真時間為分鐘級，在時間尺度上屬中長期仿真范疇[9]，該過程中鍋爐溫度和主汽壓力也會發(fā)生變化，而本次仿真未考慮這些因素，因此數(shù)十秒后的仿真結(jié)果參考意義不大。

2.4 動態(tài)仿真評價

仿真結(jié)果是否準確不僅取決于建模的準確性，還取決于仿真條件設(shè)置是否符合實際情況。在前期仿真階段，試驗方案根據(jù)X 變電站啟動負荷仿真結(jié)果，明確要求每次啟動負荷不得超過4 MW；在實際試驗過程中，X 變電站嚴格按照試驗方案啟動負荷，因此仿真條件與實際情況一致，仿真結(jié)果也與實際一致。

在Z 火電廠啟動輔機方面，基于引風(fēng)機啟動過程的實測數(shù)據(jù)對該過程進行了仿真反演，從而驗證了W 水電廠3 號機組建模的正確性，但由于前期仿真時錯誤估計了給水泵的負荷情況，導(dǎo)致仿真結(jié)果與實際偏差較大。建議火電廠在黑啟動試驗前專門進行大容量輔機啟動試驗，將試驗數(shù)據(jù)作為仿真條件設(shè)置的參考依據(jù)，進而保證仿真結(jié)果的準確性。

在Z 火電廠機組并網(wǎng)方面，得益于機組建模的準確性，前45 s仿真結(jié)果與實際較為一致，為現(xiàn)場試驗提供了重要參考。但由于仿真中沒有建立動力系統(tǒng)中長期模型，因此分鐘級的仿真結(jié)果對實際參考意義不大。

綜上分析，黑啟動試驗實測數(shù)據(jù)證明了仿真模型的準確性，前期仿真除了在火電廠啟動輔機方面出現(xiàn)較大偏差外，在其他關(guān)鍵操作方面均與實際比較一致，為本次黑啟動試驗提供了重要參考。

3 結(jié)論

本文基于黑啟動試驗的實測數(shù)據(jù)對仿真模型的準確性進行了驗證，對仿真結(jié)果進行了分析與評價，可以得出結(jié)論如下：建立的黑啟動試驗系統(tǒng)模型足夠準確，能夠正確模擬黑啟動試驗過程中各類元件的動態(tài)特性；對大部分操作的仿真條件預(yù)測與實際相符，為黑啟動試驗系統(tǒng)的電壓、頻率等指標提供了準確的數(shù)值邊界和發(fā)展趨勢。事實證明，電力系統(tǒng)仿真在黑啟動試驗方案制訂階段發(fā)揮了重要作用，是保證黑啟動試驗順利實施和安全運行的有力手段。